～層状物質の隙間を電気的に精密制御し、二次元磁石の磁気特性を効率的に操作～
理学研究院
飯森 陸 助教 / 木村 崇 教授
ポイント
・スピンの自由度を積極的に利用するスピントロニクスデバイスは、次世代ナノエレクトロニクスとして注目されており、その革新を支える材料として二次元層状物質が期待されている。
・室温で強い垂直磁気異方性を示す二次元層状強磁性体 Fe₃GaTe₂ 薄膜の強誘電体基板上への形成に成功。強誘電体への電圧印加によって生じる歪みや電気分極を利用することで、層状物質の隙間の電気的制御が可能となり、磁気特性の効果的な操作を実現。
・Fe₃GaTe₂ の優れた磁気熱電特性および磁気伝導特性を活用することで、多様な環境下で動作可能な高性能熱電発電素子やスピンメモリデバイスへの応用が期待される。
概要
二次元層状物質（※1）は、高い電気伝導性、柔軟性、透明性などの優れた特性を備えており、多彩な応用が提案されています。中でも、次世代エレクトロニクスにおける新材料として、近年特に大きな注目を集めています。さらに、近年では強磁性を示す二次元層状物質も発見され、「二次元磁石」として磁気記録やスピントロニクス（※2）への応用が期待されています。中でも Fe₃GaTe₂ は、室温で磁性を維持するだけでなく、強い磁気異方性と優れた熱電特性を併せ持つことから、熱電デバイス（※3）への応用も有望視されています。通常、強磁性体の磁気特性は磁場やスピン流によって制御されますが、磁気異方性の増加に伴い、より大きな磁場や電流が必要となるため、消費電力の増大が大きな課題となっています。このような背景から、近年では電場による磁気特性の制御が省電力化の観点で大きな注目を集めています。しかしながら、これまでのところ、二次元磁石における磁気特性の電気的制御は報告されていませんでした。
本研究では、二次元層状磁石の磁気特性を室温において電気的に制御することに、世界で初めて成功しました。九州大学大学院理学研究院の飯森陸助教および木村崇教授らの研究グループは、Fe₃GaTe₂ 薄膜を強誘電体基板上に作製し、電場印加により強誘電体の歪みや電気分極を制御することで、Fe₃GaTe₂ の磁気異方性の変化を評価しました。その結果、電場によって誘起される歪みにより、Fe₃GaTe₂ の自磁気特性が大きく変調できることを確認しました。さらに、界面からの距離が増すにつれて歪みが減少することから、層内に歪みの勾配が形成され、これにより空間反転対称性が破れることで、特異な磁区構造の形成が示唆される結果も得られました。
本成果は、スピントロニクスデバイスにおける最大の課題である消費電力の低減に貢献するとともに、高機能かつ高効率な熱電デバイスの実現にも寄与するものであり、二次元層状磁石の応用範囲を大きく広げる成果となっています。さらに、本手法は強磁性体に限らず、他の二次元層状物質に対しても適用可能であり、今後の物性制御技術や材料開発における波及効果が大いに期待されます。
本成果は、2025年8月27日（現地時間）にドイツWilley 社の科学誌 Advanced Scienceのオンライン版に掲載されました。
研究者からひとこと
本成果は、二次元層状物質に特有の原子層間の空隙構造を活用することにより、従来の三次元結晶材料では実現が困難であった電気的物性の高度な制御を可能にした成果です。今後、グラフェンやMoS₂をはじめとする次世代半導体材料においても、同様の物性制御が実現される可能性が高く、超低消費電力・高性能なエレクトロニクスの実現に資する基盤技術としての波及的貢献が強く期待されます。（木村崇教授）
用語解説
(※1) 二次元層状物質
厚さが単原子、または単分子レベルの二次元層内のみで、物質の性質をつかさどる強い原子間結合が形成された単原子、または単分子の二次元薄膜で構成される物質を二次元物質と呼び、そのようなファンデルワールス結合を介して積層した二次元物質を二次元層状物質と呼んでいます。
(※2) スピントロニクス
電子が持つスピン角運動量の性質（強磁性、不揮発性、スピン依存伝導など）を積極的に用いて、低消費電力なエレクトロニクスの実現を目指す研究分野で、巨大磁気抵抗効果、トンネル磁気抵抗効果、スピン角運動量移行効果やスピンホール効果等を基軸にして構成されたスピン注入メモリなどが代表的なデバイスです。
(※3) 熱電デバイス
主に固体を用いて、熱エネルギーを電気エネルギーに変換、または、その逆変換するデバイスを熱電デバイス、または熱電変換デバイスといいます。代表的な熱電効果として、温度差から起電力を発生するゼーベック効果や、電流から熱を発生するペルチェ効果が知られています。磁石では、スピンの向きに応じてゼーベック効果の大きさや符号が異なるスピン依存ゼーベック効果が現われ、更にスピン軌道相互作用が大きい物質中では、温度差と磁石の両方の向きに起電力が生じる異常ネルンスト効果が発現します。異常ネルンスト効果は、一種の横方向ゼーベック効果であるため、横型熱電変換とも言われています。
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